燒結(jié)機ＰＬＣ控制系統(tǒng)的干擾分析與抗擾措施

崔有銀

中圖分類號:TP2文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0810031-02

一、引言

干擾分析與抗擾措施是一個比較復(fù)雜的理論和技術(shù)問題,PLC控制系統(tǒng)現(xiàn)場運行所受到的干擾多種多樣,在施工生產(chǎn)中,我們應(yīng)針對具體情況具體分析,對不同的干擾采用不同的措施,盡可能有效地抵抗干擾,提高設(shè)備運行的準(zhǔn)確性和可靠性。

下面以山西海鑫國際鋼鐵有限公司200m2燒結(jié)機工程PLC控制系統(tǒng)為例,從技術(shù)實踐的角度,對PLC控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的原因以及干擾的種類特點作一些分析,同時提出一些抑制干擾的技術(shù)措施和方法。

二、燒結(jié)機工程PLC控制系統(tǒng)簡介

山西海鑫國際鋼鐵有限公司200m2燒結(jié)機工程儀控設(shè)計主要包括200m2燒結(jié)機本體及其輔助設(shè)備的熱工檢測、控制和調(diào)節(jié)。熱工控制采用PLC控制系統(tǒng),并配以部分常規(guī)儀表,以保證控制未投運時,維持機組的正常運行?？刂葡到y(tǒng)對各主要參數(shù)、重要參數(shù)及部分一般參數(shù)進(jìn)行顯示、計算、報警、積算、打印等處理。從而在控制室能夠全面監(jiān)控機組的運行情況,保證機組的安全、可靠運行。

PLC控制系統(tǒng)包括燒結(jié)機本體、制粒機系統(tǒng)、礦槽系統(tǒng)、成品礦槽系統(tǒng)和主抽風(fēng)機系統(tǒng)五個分站。五個分站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本相同,下面僅以燒結(jié)機本體PLC控制系統(tǒng)為例來剖析干擾的形成及預(yù)防措施。

三、燒結(jié)機PLC系統(tǒng)干擾剖析

燒結(jié)機系統(tǒng)大耗能設(shè)備較多,如2臺3000KW主抽風(fēng)機、5臺500KW環(huán)冷風(fēng)機、混合機、制粒機等,這些設(shè)備啟停往往會使電網(wǎng)產(chǎn)生幾百伏甚至幾千伏的尖脈沖干擾;各種信號線綁扎在一起或走同一根多芯電纜,由于導(dǎo)線間存在電容性耦合、電感性耦合和電場磁場組合耦合,是產(chǎn)生干擾的主要原因之一。特別是信號線與交流動力線敷設(shè)在同一個電纜管中,干擾尤為嚴(yán)重,多路開關(guān)或斷路器性能不好,也會引起PLC系統(tǒng)臨近通道信號的竄擾?？臻g各種電磁、氣象條件、雷電甚至地磁場的變化也會引起干擾,使系統(tǒng)不能正常工作。此外現(xiàn)場溫度、濕度、腐蝕性氣體、酸堿鹽的作用等都會影響到系統(tǒng)的可靠性。

(一)干擾的輸入方式

在施工現(xiàn)場,各類干擾信號會通過不同途徑與儀表電路耦合。我們只有了解掌握干擾的輸入方式,才能拿出針對性措施來防范干擾的影響。干擾的耦合方式一般有以下幾種:

1.電容耦合(也稱靜電耦合):由兩個電路之間的靜電效應(yīng)而引起的干擾。若干擾線與測量線平行敷設(shè)時,相當(dāng)于兩個電路之間有一電容器(稱寄生電容或雜散電容)存在。干擾線的干擾電壓經(jīng)此電容耦合到測量線上而產(chǎn)生干擾電壓。

2.電阻耦合(也稱漏電流耦合):當(dāng)測量線和電源線(或其它高電平的導(dǎo)線)之間絕緣不良,兩者存在一定的電阻時,將產(chǎn)生漏電流而使裝置造成很大的干擾。

3.電感耦合(也稱電磁場耦合):兩個電路之間存在互感,其中一個電路的電流變化,通過磁交連影響至另一個電路的電流發(fā)生變化,如測量信號導(dǎo)線與網(wǎng)線平行時產(chǎn)生的干擾。

4.共阻抗耦合:兩個電路間有公共的阻抗,其中一個電路的電流經(jīng)公共阻抗產(chǎn)生壓降,就要在另一個電路中產(chǎn)生干擾電壓。例如,一個電源給幾個儀表回路同時供電,由于電源存在內(nèi)阻,輸電線路也有一定的阻抗,所以只要任一儀表回路的電流發(fā)生變化,都會影響另一回路供電電壓,干擾信號將通過電源傳至另一儀表回路。

5.差模干擾(串模干擾、正態(tài)干擾):干擾信號與有效信號疊加在一起,使接收器的一個輸入端電壓相對于另一輸入端電位發(fā)生變化,稱為差模干擾。

Ui信號源電壓;ue等效干擾電壓;Ie等效干擾電流

如圖1所示的熱電偶測量回路中,經(jīng)鄰近并行導(dǎo)線中的干擾電流對熱電偶一端產(chǎn)生磁場耦合,引起差模干擾,它和有效信號(Ui)一起被測量和顯示出來,造成指示偏差。

6.共模干擾(同性干擾、對地干擾):相對于公共電位基準(zhǔn)點(通常為接地點),在測量裝置(或儀表)的兩個輸入端上同時出現(xiàn)干擾,稱為共模干擾。這兩端的電位同時相對于基準(zhǔn)點一起變化,通常它不直接影響測量結(jié)果,但是在一定條件下(如輸入電路參數(shù)兩端不對稱時)將會轉(zhuǎn)化成差模干擾,影響測量結(jié)果。

如圖2所示,熱電偶和測溫儀表分別接地,由于兩接地點電位不同,存在地電位差,并形成回路,對測量裝置輸入端產(chǎn)生共模干擾。又因測量線路中僅一根有線路調(diào)整電阻,造成不對稱,而轉(zhuǎn)化成差模干擾。

(二)抑制干擾的措施

干擾信號之所以能夠存在并且對PLC控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響,它必須同時具備以下三個條件:

1.要有干擾源產(chǎn)生干擾信號;

2.要有對干擾信號敏感的接收電路;

3.要有干擾源到接收電路之間的耦合通道。

這三個因素缺一也不能形成對PLC控制系統(tǒng)的干擾。在解決干擾問題時,首先要搞清楚干擾源、接受電路的性能,以及干擾源與接收電路之間的耦合方式,才能采取相應(yīng)措施,抑制干擾的影響。

現(xiàn)場設(shè)備運行所受到的干擾各種各樣,具體情況具體分析,對不同的干擾采取不同的措施,針對上述綜合分析,抑制干擾的原則是:

1.消除或抑制干擾源。如電力線與信號線隔離或遠(yuǎn)離。

2.破壞干擾途徑。對于以“路”的形式侵入的干擾,從系統(tǒng)輸入輸出通道采取措施,如采用隔離變壓器、光電耦合器等切斷某些干擾途徑;對于以“場”的形式侵入的干擾,通常采用屏蔽措施。

3.削弱接受電路(被干擾對象)對干擾的敏感性。如高輸入阻抗的I/O接口電路比低輸入阻抗I/O接口的電路易受干擾,模擬電路比數(shù)字電路的抗干擾能力差等。

對安裝來說,抑制干擾源是最有效的措施,但有時由于條件限制,很難實現(xiàn)。為此,我們通常對系統(tǒng)通道采取防護(hù)措施,破壞干擾途徑,以增強系統(tǒng)抗干擾能力。

四、燒結(jié)機PLC控制系統(tǒng)抗擾技術(shù)措施

常采用抑制干擾的措施有:信號導(dǎo)線的隔離、屏蔽、接地、平衡、濾波、扭絞等方法,針對不同的控制回路、信號回路,我們在施工中采用幾種方法綜合使用,取得了良好的效果。

下面我們主要從系統(tǒng)電源、輸入輸出(I/O)通道和接地三個方面來闡述在燒結(jié)機施工中采用的抗擾措施及方法。

(一)系統(tǒng)主電源的抗擾措施

首先,在工頻交流電源接入處采用隔離變壓器,有效地隔離了同一電網(wǎng)其他大功率電氣設(shè)備運行時,尤其是啟動時對微機控制系統(tǒng)干擾和接地電流的沖擊。

其次,選用帶UPS的交流穩(wěn)壓電源,有效地克服了來自電網(wǎng)電壓波動對控制系統(tǒng)的影響。另外,突遇停電或線路故障,可以保證對系統(tǒng)三十分鐘的持續(xù)供電,以便操作人員可以及時地保存重要的歷史參數(shù)。

(二)模擬量I/O通道的抗擾措施

模擬量I/O通道的干擾主要來自于模擬信號的長距離傳輸和測量電路本身。為了提高測量的準(zhǔn)確性,保證生產(chǎn)的穩(wěn)定可靠。我們在燒結(jié)機施工生產(chǎn)中針對現(xiàn)場實際情況主要采取了以下4項措施,盡可能的減少干擾對控制系統(tǒng)的影響。

1.物理性隔離。增大電子控制裝置、信號導(dǎo)線與干擾源、動力導(dǎo)線之間的距離是降低干擾的有效措施。但由于設(shè)備組裝、布線空間等現(xiàn)場條件的限制,只能是盡可能去做。對于各種不同性能的元件和導(dǎo)線,按其不同電平、功率、產(chǎn)生噪聲的大小、抗干擾能力的大小,進(jìn)行分類。相同電壓等級的電纜、導(dǎo)線盡可能同層敷設(shè),同類型的元件集中在一起,各自使用專用的端子箱、端子排,力求與其它類型的元件保持一定的距離,作物理性隔離。

2.信號采用電流傳輸。溫度、壓力、流量信號通過變送器以4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號,從現(xiàn)場輸送到I/O通道的輸入端,再由并聯(lián)在輸入端的精密電阻,轉(zhuǎn)換成1-5V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理,這樣減少因長線傳輸帶來的信號衰減。弱電信號導(dǎo)線避免和強電導(dǎo)線相互平行敷設(shè),更不得捆扎在同一個線束中,或使用同一根電纜;弱電信號回路不能與動力系統(tǒng)共用接地線,弱電信號回路的公用地線與同一個測量回路的另一根導(dǎo)線一起敷設(shè),不得借用大地作為信號傳送導(dǎo)體。

3.信號采用雙絞線傳輸。雙絞線傳輸?shù)膬?yōu)點是線路阻抗高,抗共摸干擾能力強。雙絞線是平衡電路的一種形式,這是由于雙絞線本身就是一個平衡結(jié)構(gòu)的緣故。利用電路上的平衡關(guān)系,讓兩根傳輸同一信號的導(dǎo)線具有相同的干擾電壓,可使干擾電壓在這兩根導(dǎo)線的負(fù)載上自行抵消。用這種方法,能較有效地抑制外電路的電磁干擾。

4.信號采用屏蔽電纜傳輸。屏蔽就是用金屬物(屏蔽體)把電力線或磁力線的影響限定在某一個范圍內(nèi),或阻止電力線進(jìn)入某個范圍,把外界干擾與測量裝置隔開,使測量信號不受外界電磁場的影響。常采用的屏蔽方式:有靜電屏蔽、磁屏蔽和屏蔽電纜等。

傳送模擬信號的屏蔽電纜,其屏蔽層應(yīng)一端接地;為了泄放高頻干擾,數(shù)字信號線的屏蔽層應(yīng)并聯(lián)電位均衡線,其電阻應(yīng)小于屏蔽層電阻的1/10,并將屏蔽層兩端接地。如果無法設(shè)置電位均衡線,或只考慮抑制低頻干擾時,也可以一端接地。

不同的信號線最好不用同一個插接件轉(zhuǎn)接,如必須用同一個插接件,要用備用端子或地線端子將它們分隔開,以減少相互干擾。

(三)開關(guān)量I/O通道的抗擾措施

燒結(jié)機PLC控制系統(tǒng)現(xiàn)場存在的情況:如電磁場、電震動、開關(guān)按鍵或繼電器、接觸器的觸點抖動和接觸不良,都會干擾影響通道的正常工作。對PLC控制系統(tǒng),我們采用光電耦合器、輸出模塊中的小型繼電器和光電可控硅等器件,來實現(xiàn)對外部開關(guān)量信號的隔離。這些器件除了能減少或消除外部干擾對系統(tǒng)的影響外,還可以保護(hù)CPU模塊,使之免受從外部竄入PLC系統(tǒng)的高電壓的危害。

1.繼電器隔離技術(shù)。系統(tǒng)輸出量變化不是很頻繁時,一般選用繼電器型輸出模塊。繼電器輸出模塊的觸點工作電壓范圍寬,導(dǎo)通壓降小,與晶體管型和雙向可控硅型模塊相比,承受瞬時過電壓和過電流的能力較強,但是動作速度較慢。特別需要指出的是:PLC輸出模塊內(nèi)的小型繼電器的觸點很小,斷弧能力很差,不能直接用于DC 220V(或大功率AC 220V)控制電路中,必須用PLC驅(qū)動外部繼電器,用外部繼電器的觸點驅(qū)動DC 220V(或大功率AC 220V)的負(fù)載。斷開直流電路要求較大的繼電器觸點,接通同一直流電路可用較小的觸點。

2.光電隔離技術(shù)。光電隔離技術(shù)是采用光電耦合器把被控對象與微機信號傳送在電氣上隔離,有效防止電氣耦合產(chǎn)生的干擾。

常見的光隔離器件有:光電開關(guān)、光電隔離器、光纜、光觸發(fā)可控硅及模擬信號光電隔離裝置等。因其功耗小、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠,從而得到了廣泛應(yīng)用。

(四)接地系統(tǒng)的抗擾措施

PLC控制系統(tǒng)的接地措施是否正確、合理,是控制系統(tǒng)能否穩(wěn)定可靠工作的重要因素。在燒結(jié)機施工中,為了盡量削弱干擾,采取“一點接地”的原則。

1.PLC控制系統(tǒng)接地。燒結(jié)主控樓PLC系統(tǒng)的接地如圖5所示。接地電阻值設(shè)計要求≤1Ω,接地銅板為900mm×900mm×20mm。采用-40×4銅母線引至接地端子箱匯集板,該匯集板即為PLC系統(tǒng)參考零電位?？刂乒竦浇拥囟俗酉渲g采用橡套電纜BVR-35mm2連接,保證計算機系統(tǒng)一點接地。

2.屏蔽電纜接地。PLC的I/O線與大功率線分層敷設(shè),信號線使用屏蔽電纜。交流線路與直流線路分別使用不同的電纜,開關(guān)量、模擬量I/O線分開敷設(shè),后者采用屏蔽電纜。

屏蔽電纜的屏蔽層接地點有兩種選擇:(1)信號源端接地。(2)接收端接地。在燒結(jié)機工程施工中屏蔽電纜的屏蔽層接地主要采用了以下兩種方式。見圖6、圖7。

五、結(jié)束語

我們在海鑫200mm2燒結(jié)機工程中采用了上述抗擾措施,取得了良好效果,PLC系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。由此我們?nèi)〉靡韵聨c收獲:

1.PLC應(yīng)遠(yuǎn)離強干擾源,如大功率可控硅裝置、高頻焊機和大型動力設(shè)備等;

2.針對電場耦合引起的干擾,采用無網(wǎng)孔的鋁箔屏蔽電纜且使兩端引線外露部分盡量短,同軸電纜一端接地;

3.針對磁場耦合產(chǎn)生的干擾,采用雙絞線,讓法線相反的小回路面積相等,使磁場干擾的影響相互抵消;

4.針對電磁耦合產(chǎn)生的干擾,可采用雙絞屏蔽對。它結(jié)合了雙絞線和同軸電纜兩者的優(yōu)點;

5.開關(guān)量信號可選用屏蔽電纜。模擬信號和高速信號線應(yīng)選擇屏蔽電纜。通信電纜要求可靠性高,一般應(yīng)選用PLC生產(chǎn)廠家提供的專用電纜,在要求不高或信號頻率較低時,也可以選用帶屏蔽的雙絞線電纜。